Google Earth 卫星影像图在道路设计中的应用研究

(1 .浙江公路水运工 程咨询公司 , 浙江 杭州 310004 ;2 .杭州市交 通资产经营公司)
摘要 :目前 , 由于 G oog le Ea rth 卫星影像图 具备直观 、免 费 、时效性强 等特点 , 已 逐渐在 道路设计中普及 。 现今的道路 设计中 , 大多 都基于 A utoCA D 系 统 , 如何将 卫星 影像图 应用 到道路 CA D 设计系统中 , 使道路设计 与卫星影 像图 有机结 合起 来 , 已成为 大多 数设计 者努 力的方向 。 基于此 , 研究 G oo gle Ear th 卫星影像图下载原理 , 通过坐标转换 , 并利用 km l 脚本 语言 , 实现 设计成 果在 Go og le Ea rth 与 CA D 道路设 计系 统的相 互转 换 。 最后 利用 G oog le Ear th 卫星影像三维仿 真 , 实现路线动态三维实景模拟 , 以达到优化设计方案的目的 。
目前 , 卫星影像图在工程规划设计中已是比较重 要的基础资料 。 在卫星影像图上放线 , 可使项目有一 个比较直观清晰的走向 。 在 2007 年部颁《公路工程基 本建设项目设计文件编制办法》对于路线的平面设计 部分 中也 提及“ 必要 时 增 加在 影 像 地 形 图 上 绘制 平 面 图” , 可见卫星影像地形图的重要性 。
由于 GE 是把卫星影 像图设置 在三维球 面模型 上 , 点坐标以经纬度表示 , 而通常用于道路设计中的一 般测绘地形图却是在平面上 , 点坐标一般以 X Y 大地 坐标表示 。如想把两者有机地结合起来 , 就需要实现 不同体系的坐标转化 , 即 :1)将 GE 球体中的卫星影 像图转换到 CAD 平面图中 , 简称球体到平面转换 ;2) 将 CA D 平面图中的设计成果转换到 GE 球体环境中 , 简称平面到球体转换 。
某经 纬度的 URL , 就需 要把经纬 度转化为“ qrst” 字
符 。GE 卫星影像图在传输表达时采用了精妙的四叉
树原理 。 即整个地球被四分法分为很多小块 。每放大
表 1 中国椭球体参数
椭球体名称 北京 54 坐标系 西安 80 坐标系
WGS 84
长半轴 a/ m 6 378 245 6 378 140 6 378 137
短半轴 b/ m 6 356 863 .018 8 6 356 755 .288 2 6 356 752 .314 2
2 .2 G E 坐标投影
式)。
墨卡托投影正解公式(1):(B , L)※(X , Y ), 标准 纬度 B0 , 原点纬度 0 , 原点经度 L0 。
XN
=K ln[
t
g
(π4
+B2
)×(11
-e +e
sinB sinB
)e 2
]
Y B =K (L -L0)
(1)
k =N B0 ×co s(B 0)=
1
a2 b +(e′)2 co
GE 采用的就是墨卡托投影 。 墨卡托投影 , 是一 种“等角正切圆柱投影” , 它没有角度变形 , 由每一点向
各方向的长度比相等 。墨卡托投影坐标系取零子午线
或自定义原点经线(L0)与赤道交点的投影为原点 , 零 子午线或自定义原点经线的投影为纵坐标 X 轴 , 赤道
的投影为 横坐标 Y 轴 , 构成墨卡 托平面直角 坐标系 (投影公式中 a 、b 、e 等参 数参 照椭球 体几 何表 达公
地图坐标系由地图投影和大地基准面确定 , 目前 , 常用的投影转化有墨卡托投影 、高斯 -克吕 格投影 、 U T M 投影和兰勃特等角投影等 。 2 .1 .2 大地基准面的选择
大地基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表 面的逼近 , 每个国家或地区有所不同 , 中国主要有北京 54 坐标系 、西 安 80 坐标系 、WGS84 坐标 系统 。 其 3 个椭球体参数如表 1 所示 。
DO I :10.14048/j .issn.1671 -2579.2011.02.009
第 31卷 第 2期 2 011年4 月
中 外 公 路
1
文章编号 :1671 -2579(2011)02 -0001-04
Google Earth 卫星影像图在道路设计中的应用研究
方成1 , 王春晖2 , 吴延明1
收稿日期 :2010 -11 -12 基金项目 :浙江省交通运输厅科技项目(编号 :2009H12) 作者简介 :方成 , 男 , 硕士 .E-mail:up2y ou 610 @
计咨询人员的一个难题 。
1 卫星影像图及 G oog le Earth
1 .1 卫星影像图 通常在路线平面设计中 , 一般测绘地形图都是基
2011 年 第 2 期
方成 , 等 :Go ogle Ear th 卫星影像图在道路设计中的应用研究
3
T2 +14C -58T C)1A250] T =t g2 B C =(e′)2 cos2 B A =(L -L0)co sB
M =α(1 -e42 -36e44 -255e66)B -(38e2 +33e24 +1450e264)
+Cf
-9T f C f )
D4 24
+(61 +90T f
+4
5
T
2 f
)7D260]
L =L 0 +cos1B f [ D -(1 +2T f +C f )D63 +(5 +
28T f +6C f +8T fC f +24 T2f )1D250]
Nf =
(a2/ b)
=
1 +(e′)2 co s2 B f
的经纬度需进行转化 , 正解转化公式(3):(B , L)※(b ,
l), 单位 :弧度 。
b =ln[ (1 +sinB)/ cosB] l =L
(3)
墨卡托投影的经纬度 到实际地图的 经纬度公式
(4), 即反解转化公式 :(b , l)※(B , L), 单位 :弧度 。
B =2 ×{arct g[ EXP(b)] -π/ 4}
2004 年 10 月 27 日 Goog le 公司宣布收购了 Keyho le 后 , 并于 2005 年 6 月推出了最早的 Go ogle Ear th 系列软件 。 GE 是一款虚拟地球仪软件 , 它把卫星照 片 、航空照相和 GIS 布置在一个地 球的三维模型上 。 GE 上的全球地貌影像的有效分辨率不等 , 通常为 30 m(如中国大陆), 针对大城市 、著名风景区 、建筑物区 域会提供分辨率为 1 m 和 0 .5 m 左右的高精度影像 , 道路上的汽车清晰可见 , 完全能满足工程研究需要 。
(1
-e2/
4
Mf -3e4 /
64
-5e6
/
256)
M f =(X N -F N )/ k0
T f =tg2 B f
Cf =(e′)2 co s2 B f
D
=Y
E -FE k0 N f
(6)
2 .4 GE 传输下载原理
GE 卫星地图是由 256 ×256 大小的 jpeg 图片拼
接而成 , 每块图片对应自己的 URL 下载路径 , 为获取
于 CAD 图形环境平台进行的, 而卫星影像图为卫星 拍摄或航空拍摄图片 , 是一种具有一定数学基础 、由多 幅卫星遥感影像按其地理坐标镶嵌拼 接而成的影像 图 。 卫星影像图最突出的优点是信息丰富 , 形象直观 , 其高精度影像图地理精度已达到米级水平 , 能够满足 道路项目前期研究的需要 , 是其他普通线划地图所不 能比拟的 。而且现在提供全球卫星影像图的公司也较 多 , 如 法 国 SP OT 5 、美 国 IKONOS 及 美 国 Digit al Glo be 公司的 QuickBird(解析度高达 0 .61 m 的高精 度影像)。 1 .2 G oog le Earth 软件(后简称 G E)
2 体系转换
由于卫星影像图和一般的测绘地形图是基于不同 的软件和坐标系统 , 为了将卫星影像图应用于路线设 计中 , 并把道路设计成果导入 GE , 利用其三维仿真功 能 , 实现动态直观检验 , 以指导路线设计 , 就需要完成 不同软件系统中不同坐标体系的相互转换 。 转换不仅 需要实现不同坐标系的坐标转换投影计算 , 还需实现 在 G E 中下载卫星影像图和将设计成果植入 GE 中 。 2 .1 地图坐标转换 2 .1 .1 地图投影
sin(2B)+(1255e64 +1450e264)sin(4B)-3350e762sin(6B)
N=
α
= (a2/ b)
1 -e2 si n2 B 1 +(e′)2 cos2 B
(5)
高斯 -克吕格投影反 解公式(6):(X , Y ) ※(B ,
L)
B =B f
-N
ft R
gD
fHale Waihona Puke f[D2 2
-(5 +3T f
s2(B
0)co
s(B
0)
墨卡托投影反解公式(2):(X , Y )※(B , L),
B =π2 -2arct g
EX P ×EX P (-X N) K
(2e
)ln(11
-esi +esi
nB nB
L
=Y B K
+L0
(2)
由于墨卡托投影的纬线间隔从标准纬线向两极逐
渐增大 , 无极点 , 因此实际地图的经纬度到墨卡托投影
a 1 -e2 sinB f
Rf
=(1
a(1 -e2) -e2 sin2 B f )3/ 2
B f =φ+(3e1/ 2 -27e31/ 32)sin(2φ)+(21e21 / 16 -